УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ Советский патент 1995 года по МПК G01F1/20 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения расхода в массовых и объемных единицах и плотности в трубопроводе оптически и акустически непрозрачных жидкостей при наличии реверса направления движения потока.

Известен вибрационный преобразователь массового расхода и плотности, в котором измеряют разность коэффициентов затухания колебаний трубок, установленных в потоке жидкости или газа, снабженных системой возбуждения и регистрации колебаний. Данный преобразователь подвержен влиянию внешних вибрационных нагрузок, а низкая статическая точность обусловлена использованием разомкнутой системы управления.

Наиболее близким по технической сущности является устройство измерения массового расхода и плотности жидкости в трубопроводе, содержащее прямолопастную турбинку, закрепленную на упругом валу с защемленными концами, последовательно соединенные преобразователь механических крутильных колебаний турбинки, выполненный в виде постоянного магнита, укрепленного на турбинке, и измерительной обмотки, расположенной снаружи трубопровода, блок возбуждения колебаний и вычислений измеряемых параметров, обмотку возбуждения крутильных колебаний турбинки и индикаторы массового расхода и плотности жидкости.

В известном устройстве система возбуждения крутильных колебаний электромагнитного типа, то есть возбуждение колебаний осуществлено за счет взаимодействия постоянного магнитного поля магнитов, укрепленных на упругом валу перпендикулярно его оси с помощью элементов крепления обеспечивающих параллельное и симметрично их расположение относительно оси вала, и переменных магнитных полей электромагнита, создаваемых обмоткой возбуждения с магнитопроводом соответствующей формы, расположенным диаметрально противоположно снаружи трубопровода так, что его ось перпендикулярна осям постоянных магнитов.

Для определения плотности и массового расхода (при неизменном значении вязкости среды ≈ до 1 сСт) крутильные колебания вала с турбинкой возбуждаются одновременно на двух частотах: на частоте собственных резонансных колебаний f₉₀ и на нерезонансной частоте, например 3/4f₉₀ или 7/8f₉₀.

Частота f₉₀ является мерой плотности контролируемой среды. Ее изменение обусловлено действием активных сил на турбинку через изменение присоединенного момента инерции турбинки I_пр, который зависит от изменения плотности среды ρ (I_пр=аρ), где а коэффициент пропорциональности. При этом для колебательной системы второго порядка
f₉₀= (1) где χ жесткость вала;
J_n=J_o+i_пр момент инерции.

J_o собственный момент инерции, определяемый конструкцией вала и турбинки.

Частота f₉₀ соответствует фазовому сдвигу между возбуждающей силой (током обмотки возбуждения) и выходным сигналом преобразователя механических колебаний, равному 90^о. В блоке возбуждения колебаний и вычисления измеряемых параметров такая настройка обеспечивается использованием контура фазовой автоподстройки частоты, содержащего последовательно соединенные фазовый детектор, усилитель, интегратор и управляемый генератор. При этом выход генератора подключен к опорному входу фазового детектора к обмотке возбуждения, а сигнальный вход фазового детектора и к обмотке возбуждения, а сигнальный вход фазового детектора соединен с выходом преобразователя механических колебаний турбинки.

На нерезонансной частоте (3/4f₉₀ или 7г/8f₉₀) массовый расход Q_мопределяется по проявлению диссипативных сил, то есть по степени демпфирования турбинки, следствием которого является пропорциональный по величине фазовый сдвиг ϕ между возбуждающей силой и смещением турбинки с учетом реальных значений f₉₀ и J_u.

При этом
tg ϕ (2)
где К=Q_мr С учетом значения χ из (1) выражение (2) имеет вид:
tgϕ (3)
Или для малых значений ϕ в отклонениях с учетом, что Δϕ ωΔt.

2πf Δt (4)
Откуда Q_м= (5) где Δt временной интервал между колебаниями возбуждающей силы и отклонением турбинки;
F= отношение частот колебаний турбинки, некратной частоте собственных колебаний, и собственной частоты колебаний.

Блок возбуждения колебаний и вычислений измеряемых параметров содержит измеритель временного интервала Δt и осуществляет вычисления в соответствии с выражением (5).

Недостатком известного устройства является низкая точность измерений и невозможность измерения объемного расхода, обусловленные:
1. Низкой чувствительностью за счет размещения на валу постоянных магнитов и элементов их крепления электромагнитной системы возбуждения колебаний, а на турбинке постоянного магнита преобразователя механических колебаний, увеличивающих величину собственного момента инерции Io вала с турбинкой.

Выражение для чувствительного с учетом (1)
S df₉₀/dρ (6)
а относительной чувствительности
S_отн= δ
где А=а/J_o.

Величина S_отн определяется параметром А и величиной плотности. При Аρ>>1 величина S_отн ->> 0,5. при этом нецелесообразно увеличивать А более 4.5, поскольку дальнейшее увеличение А мало сказывается на изменении D_отн.

Погрешность измерения плотности (δρ) определяется погрешностью измерения частоты ( бf₉₀), являющейся мерой плотности в виде
δρ ρf₉₀ (8)
или
δρ 2 δf₉₀ (9)
Понижение величины S_отн за счет увеличения J_o приводит к снижению точности измерения плотности,а следовательно, и расхода, т.к.

Qv (10) где Q_v значение расхода в объемных единицах;
Q_м значение расхода в массовых единицах.

2. Возбуждением несинусоидального крутящего момента из-за несинусоидального характера силы взаимодействия электромагнита с постоянными магнитами за счет переменного воздушного зазора.

3. Дисбалансом и возникновением условий возбуждения колебаний на высших гармониках.

4. Наличием влияния каналов определения плотности и вычисление массового расхода при подключении их выходов к одной обмотке возбуждения.

Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение эксплуатационных возможностей.

Цель достигается тем, что в устройстве измерения расхода и плотности в трубопроводе, содержащем прямолопастную турбинку, закрепленную на упругом валу с защемленными концами, первую обмотку, размещенную снаружи трубопровода и соединенную с первым выходом блока возбуждения и вычисления, ко второму и третьему выходам которого подключены входы индикатора массового расхода и индикатора плотности, и измерительную обмотку, соединенную со входом блока возбуждения и вычисления, введены вторая обмотка, делитель, выход которого соединен с введенным индикатором объемного расхода, при этом упругий вал выполнен полым, измерительная обмотка размещена внутри полого вала, вторая обмотка установлена коаксиально первой и соединена с четвертым выходом блока возбуждения и вычисления, входы индикаторов массового расхода и плотности соединены с делителем, а полый вал выполнен из магнитотвердого материала с круговой поляризацией структуры.

Сущность изобретения состоит в том, что конструктивно полый вал, выполненный из магнитострикционного магнитотвердого сплава с круговой поляризацией (например, из деформируемых магнитотвердых сплавов на основе системы Fe-Gr-Ni), заменяет вал и постоянные магниты с элементами крепления системы электромагнитного возбуждения, укрепленные на валу, а тороидальная обмотка (обычно достаточно 5 витков), проходящая сквозь вал, в которой индуктируется ЭДС Видемана, заменяет преобразователь перемещения прототипа, содержащий магниты, расположенные на крыльчатке, и измерительные обмотки, расположенные снаружи трубопровода. При этом обмотки возбуждения выполнены коаксиальными в форме эллипсоидов вращения с одинаковым числом винтов на единицу длины, охватывают трубопровод и не содержат магнитопроводов.

В предлагаемом устройстве использован магнитострикционнный принцип возбуждения крутильных колебаний вала с турбинкой при размещении вала в полях переменного продольного потока, создаваемого коаксиальной обмоткой возбуждения, и постоянного поперечного магнитного потока, создаваемого круговой поляризацией, как результат действия суммарного периодического геликоидального намагничивания вала.

На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения расхода и плотности жидкости в трубопроводе; на фиг. 2 схема блока возбуждения колебаний и вычислений измеряемых параметров, фиг. 3 поясняет процесс намагничивания вала; фиг. 4 пространственно-временную структуру продольного синусоидального и поперечного постоянного магнитных полей напряженности Н и область устойчивого существования вектора намагниченности I: на фиг. 5 представлена конструктивная схема взаимного расположения вала и тороидальной измерительной обмотки, поясняющая возникновение ЭДС (ЭДС Видемана) на концах измерительной обмотки; на фиг. 6 представлены временные диаграммы, поясняющие формирование продольного синусоидального возбуждающего магнитного потока при неизменном значении расхода (Q=const) и изменении значений плотности в заданном диапазоне от ρ_min до ρ_max (ρ=var); на фиг. 7 представлены временные диаграммы, поясняющие формирование продольного синусоидального возбуждающего магнитного потока при неизменном значении плотности (ρ=const) и изменении значений расхода в заданном диапазоне от Q_min до Q_max (Q=var).

В центре вала 1 соосно с ним с помощью ступицы 2 укреплена прямолопастная турбинка 3. Вал 1 (диаметром 6 мм, толщиной 1 мм длиной 60 мм) выполнен из ферромагнитного магнитотвердого сплава на основе системы Fe-Gr-Ni-сплава 18Н9Н с высокой механической прочностью и упругостью. Круговая поляризация (постоянный поперечный магнитный поток) создается в нем путем предварительного размещения в нем проводника и пропускания по нему импульсов тока. Таким образом, в вале создается однородный и изотропный поперечный постоянный магнитный поток (круговая поляризация). Турбинка 3 выполнена в виде цилиндра 4 с наружными радиальными лопастями 5 из сплава Д16 или ВТ5. Количество радиальных лопастей 6-10 (из условия обеспечения величины отношения I_пр/I_o ≥ 3.4). Вал 1 с турбинкой 3 укреплен с двух концов с помощью сварки в основаниях 6 и 7, которые крепятся в трубопроводе 8. Внутренняя полость вала 1 герметизирована с помощью направляющих конусов 9 и 10 и трубчатых стоек 11 и 12. В основаниях 6 и 7 выполнены сквозные отверстия для беспрепятственного протекания контролируемой жидкости и создания безвихревого характера потока.

Коаксиальные обмотки возбуждения 13 и 14 охватывают трубопровод 8 и намотаны на каркасы 15 и 16, выполненные в форме эллипсоида вращения. Длины обмоток 13 и 14 не менее длины скручиваемой части вала 1, а число витков одинаково на единицу их длины, причем обмотка 13 охватывает обмотку 14. Коаксиальные обмотки возбуждения 13 и 14 создают однородный и изотропный синусоидальный продольный возбуждающий магнитный поток. Число витков и токи обмоток 13 и 14 подобраны таким образом, чтобы максимальная величина продольного магнитного потока была равна величине поперечного магнитного потока.

Сквозь вал 1 и турбинки стоек 11 и 12 проходит тороидальная измерительная обмотка 17 (5-6 витков провода), преобразующая механические колебаний вала 1 с турбинкой 3 в периодический электрический сигнал. Тороидальная измерительная обмотка подключена к блоку 18 возбуждения колебаний вычисления измеряемых параметров, выходы которого соединены с коаксиальными обмотками возбуждения 13 и 14 и с индикаторами массового расхода 19, объемного расхода 20 и плотности 21.

Блок 18 возбуждения колебаний и вычислений измеряемых параметров включает в себя контур фазовой автоподстройки частоты, содержащий последовательно соединенные фазовый детектор 22, усилитель 23, интегратор 24 и управляемый генератор 25 синусоидальных колебаний, усилитель мощности 26, измеритель временного интервала 27, делитель частоты 28 с постоянным коэффициентом деления, равным 4/3, усилитель мощности 29, перемножитель 30, преобразователи 31, 32 частоты в напряжение, второй перемножитель 33, делитель 34, третий перемножитель 35, четвертый перемножитель 36, делитель 37 напряжений.

Выход генератора 25 подключен к опорному входу фазового детектора 22 и через усилитель мощности 26 к коаксиальной обмотке возбуждения 14, а сигнальный вход фазового детектора 22 соединен с тороидальной измерительной обмоткой 17 и одним из входов измерителя временного интервала 27. Второй вход измерителя 27 соединен через делитель частоты 28 с выходом управляемого генератора 26 и через усилитель мощности 29 с коаксиальной обмоткой возбуждения 13. Входы перемножителя 30 подключены к выходу измерителя временного интервала 27 и через преобразователь 31 частоты в напряжение с выходом делителя частоты 28. Выход управляемого генератора 25 через преобразователь 32 частоты в напряжение подключен к входам перемножителя 33, осуществляющего операцию возведения в квадрат с коэффициентом 4π². Выход перемножителя 33 подключен к второму входу делителя 34, осуществляющего операцию деления делимого в виде постоянной величины напряжения, пропорционального жесткости χ вала 1. Выход делителя 34 соединен с входом перемножителя 35, на второй вход которого подается напряжение постоянной величины, пропорциональной значению 4π²(2-F²). Выходы перемножителей 30 и 35 подключены к перемножителю 36, выход которого соединен с индикатором массового расхода 19 и одним из входов делителя 37, второй вход которого подключен к выходу преобразователя частоты в напряжение 32 и к индикатору плотности 21. При этом выход делителя 38 напряжений соединен с индикатором объемного расхода 22.

Устройство для измерения расхода и плотности жидкости работает следующим образом.

В исходном состоянии вал 1 с прямолопастной турбинкой 3 погружены в жидкость (контролируемую среду). При включении питания блока 18 коаксиальные обмотки возбуждения 13 и 14 создают однородный и изотропный продольный синусоидальный магнитный поток, который геометрически складывается в вале 1 с поперечным постоянным однородным и изотропным магнитным потоком. Изменяющаяся в пространстве и во времени результирующая намагниченность вала 1 в форме круговой спирали-геликоиды создает упругие силы, вызывающие закручивание вала 1 с укрепленной на нем турбинкой 3.

Турбинка 3 совершает незатухающие знакопеременные колебания на частоте собственных колебаний, определяемой геометрическими размерами вала 1 с турбинкой 3, механическими свойствами материала вала 1 и присоединенным моментом инерции контролируемой среды, зависящим от плотности этой среды. Собственная частота колебаний вала 1 с турбинкой 3 является мерой плотности контролируемой среды.

Механические колебания вала 1 с турбинкой 3 преобразуются в периодический электрический сигнал с помощью тороидальной обмотки 17, на концах которой индуктируется так называемая ЭДС Видемана. При скручивании вала 1 в результате магнитоупругости в ней возникает геликоидальная анизотропия магнитной проницаемости, направленная по линиям действия механических напряжений, вдоль которых направлена и результирующая намагниченность. При модуляции намагниченности ее переменная поперечная составляющая индицирует в тороидальной измерительной области 17, пропущенной сквозь вал 1, ЭДС Видемана. Ее частота соответствует частоте перемагничивания вала, а величина определится, в основном, величиной намагниченности, магнитными свойствами вала в частности величиной коэффициента магнитострикции, а также числом витков обмотки 17.

Выражение для значения ЭДС Видемана может быть записано в виде
e sinγ, (11) где Φ полный результирующий намагничивающий поток, совпадающий по направлению с результирующей намагниченностью.

Φ_поп поперечная составляющая потока φ.

Или, переходя к магнитной индукции, выражение для мгновенного значения ЭДС тороидальной обмотки может быть записано в виде
e w·d·l sinγ (12) где w число витков тороидальной измерительной обмотки;
d диаметр провода тороидальной измерительной обмотки;
I активная длина проводников тороидальной обмотки, пронизываемых поперечным магнитным потоком.

Крутильные колебания вала 1 с турбинкой 3 поддерживаются незатухающими с помощью системы фазовой автоподстройки частоты: фазовый детектор 22 настроен таким образом, что при равенстве частот синусоидальных колебаний, поступающих на его сигнальный вход с тороидальной измерительной обмотки 17, и на опорный вход с выхода управляемого генератора 25, сигнал рассогласования на его выходе соответствует нулевому уровню, при котором управляемый генератор настроен на частоту, соответствующую среднему измеряемому значению плотности среды, например, 800 кг/м³. Возбуждающий сигнал этой частоты подается через усилитель, мощности 26 в обмотку возбуждения 14. Одновременно в преобразователе 32 частотный сигнал преобразуется в аналоговый в напряжение постоянного тока и подается на индикатор 21, содержащий четырехразрядное табло индикации значения плотности. При изменении величины плотности среды частотно-зависимая цель изменяет частоту своих колебаний, величина которой становится отличной от частоты управляемого генератора 25, на входе фазового детектора 22 появляется рассогласование соответствующего знака, которое усиливается усилителем 26, интегрируется генератором 24 и в виде напряжения постоянного тока поступает на вход управляемого генератора 25. настраивая его на новую частоту, соответствующую изменившемуся значению плотности.

Одновременно делитель частоты 28 осуществляет деление частотного сигнала с коэффициентом 4/3. С его выхода частотный сигнал f=3/4f₉₀подается через усилитель мощности 29 в обмотку возбуждения 13. При этом на входе измерителя временного интервала 27 появляется аналоговый сигнал, пропорциональный временному сдвигу между двумя синусоидальными колебаниями. Перемножители 30, 33, 35, 36 и делитель 34 осуществляют вычисление в аналоговой форме величины массового расхода Q_м в соответствии с алгоритмом (5). При этом перемножитель 33 осуществляет операцию возведения в квадрат с коэффициентом 4π² сигнала, пропоpционального f₉₀. На его выходе сигнал пропорционален величине 4π²f₉₀². Делитель 34 выполняет операцию деления постоянного сигнала, пропорционального жесткости вала 1(U₁= κconst)и сигнала, пропорционального 4π²f₉₀². На его выходе сигнал пропорционален моменту инерции турбинки I_п (с учетом текущего значения плотности, т.к. I_п сумма собственного и присоединительного моментов инерции турбинки 3). Этот сигнал перемножителем 35 умножается на постоянный коэффициент U₂= (1-F₂)=const. Перемножитель 30 осуществляет операцию перемножения сигналов, пропорциональных Δt, и частоты f₉₀²=(4/3f)², преобразованной в преобразователе 31 в аналоговый сигнал. Выходной сигнал перемножителя 36 соответствует величине Q_м по алгоритму (5). Этот сигнал подается на индикатор 19 на четырехразрядное табло индикации массового расхода. Вычисление Q_v осуществляется делением сигналов, пропорциональных Q_м и ρ на делителе 37, с выхода которого сигнал подается на индикатор 20 на соответствующее четырехразрядное табло индикации Q_v.

Испытания предложенного устройства на макетном образце показали, что использование заявляемого изобретения по сравнению с прототипом обеспечивает в нормальных условиях эксплуатации снижение относительной погрешности измерения массового расхода в диапазоне 250.2500 кг/ч от 0,59.0,64% до 0,44. 0,51% и снижение относительной погрешности измерения плотности в диапазоне 0,7060.0,8965 г/см³ от 0,19.0,24% до 0,12.0,16%

Использование: в технике расходометрии. Сущность изобретения: прямолопастная турбинка из электропроводящего материала установлена на полом упругом валу, выполненном из магнитотвердого материала с круговой поляризацией структуры, первая и вторая обмотки соединены с первым выходом блока возбуждения и вычислений, измерительная обмотка размещена внутри полого вала и соединена с входом блока возбуждения и вычисления. 7 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ в трубопроводе, содержащее прямолопастную турбинку, закрепленную на упругом валу с защемленными концами, первую обмотку, размещенную снаружи трубопровода и соединенную с первым выходом блока возбуждения и вычисления, к второму и третьему выходам которого подключены входы индикатора массового расхода и индикатора плотности, и измерительную обмотку, соединенную с входом блока возбуждения и вычисления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения эксплуатационных возможностей, в него введены вторая обмотка, делитель, выход которого соединен с введенным индикатором объемного расхода, при этом упругий вал выполнен полым, измерительная обмотка размещена внутри полого вала, вторая обмотка установлена коаксиально первой и соединена с первым выходом блока возбуждения и вычисления, входы индикаторов массового расхода и плотности соединены с делителем, полый вал выполнен из магнитотвердого материала с круговой поляризацией структуры, а прямолопастная турбинка выполнена из электропроводного материала.